大面積垂直 2次元結晶ヘテロ構造デバイス作製のための遷移金属薄膜の硫化からの準備

この成長技術の全体的な目標は、各材料に対して同様の成長手順を使用して、2D層の数を適切に制御しながら、複雑な垂直2D結晶ヘテロ構造を確立することです。このシンプルな手法の主な利点は、異なる 2D 材料に対して同様の成長手順を使用し、レイヤー数の制御性が優れていることです。この手法は、単一の材料構造と比較して、トランジター特性が向上したより大きな垂直2D結晶ヘテロ構造を生成できるため、垂直2D材料ヘテロ構造の実用化を調査するのに役立ちます。

手順を開始するには、RFスパッタリングシステムのサンプルステージに2cm×2cmのきれいなC面サファイア基板を取り付け、研磨面をモリブデンターゲットに向けて取り付けます。サンプルチャンバーを10の3倍にポンプダウンして、負の6つの裂け目まで下げます。アルゴンガスを毎分40ミリリットルでシステムに注入し、チャンバー圧力が負の2つの裂け目に対して10の5倍で安定

プラズマに点火し、出力を40ワットに設定します。チャンバー圧力を10の5倍に下げて、負の3つの裂け目を減らします。次に、モリブデンターゲットシャッターを手動で開き、金属を30秒間堆積させます。

堆積全体を通して電力出力が一定に保たれていることを確認してください。スパッタリングが終了したら、金属膜を上にして基板をクォートサンプルホルダーに入れます。キャリブレーションされた管状炉の加熱ゾーンの中央に基板をセットします。

アルミナ加熱ボートに1.5グラムの硫黄粉末を置きます。基板が摂氏800度に達したときに硫黄温度が摂氏120度になるように、ボートを加熱ゾーンの2センチ上流に配置します。炉を閉じて、10の5倍にマイナスの3つの裂け目までポンプダウンします。

次に、アルゴンガスを毎分130ミリリットルで炉に流します。炉の圧力が0.7トレスで安定していることを確認します。炉を室温から摂氏800度まで、毎分20°

硫黄が完全に蒸発するまで、炉を摂氏800度に保ちます。次に、炉の熱をオフにし、アルゴンの流れの下で基板を室温まで冷却します。次に、二硫化モリブデン膜をタングステンターゲットに向けてRFスパッタリングシステムに基板を取り付けます。

モリブデンと同じ設定で基材上にタングステンを30秒間スパッタリングします。タングステンコーティングされた基板を炉の加熱ゾーンの中央に置き、1グラムの硫黄粉末を加熱ゾーンの2センチ上流に置きます。タングステンフィルムをモリブデンフィルムと同じパラメータで硫化します。

薄膜転写を開始するには、調製した遷移金属ジカルコゲナイドフィルム上にポリメチルメタクリレートを3滴、毎分500回転と800回転ずつ10秒間スピンコートします。PMMAを摂氏120度で5分間硬化させます。次に、PMMAコーティング基板を脱イオン水で満たされたペトリ皿に入れます。

先端が丸く平らなピンセットを使用して、TMDフィルムを貼り合わせたPMMAの片角を基材から慎重に剥がします。基質を100°Cに加熱した1モルの水酸化カリウム水溶液に移します。ピンセットを使用して、PMMA TMDフィルム全体を基材からゆっくりと慎重に剥がします。

水酸化カリウム溶液からPMMA TMDフィルムをすくい上げ、研磨面をフィルムに向けて別のきれいなサファイア基板で取ります。フィルムを脱イオン水のビーカーに移します。フィルムを同じ方法でさらに3回新鮮な脱イオン水に移し、残留水酸化カリウムが完全に除去されるようにします。

次に、チタンまたは金電極でパターニングしたシリコン基板上に厚さ300ナノメートルのP型二酸化ケイ素を得ます。パターン化された基板を脱イオン水の最終ビーカーに浸し、TMDフィルムを基板に慎重に貼り付けます。貼付したフィルムで基板を100°Cで3分間焼き、水分を蒸発させます。

基板表面をPMMAで覆い、フィルムが基板にしっかりと取り付けられていることを確認します。電子乾燥キャビネットで基板を8時間乾燥させます。次に、PMMA層を除去し、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを使用してTMDヘテロ構造トランジスタを作製します。

モリブデンの硫化メカニズムをHRTEMで検討した。硫黄が豊富な条件下では、硫黄は酸化モリブデンの酸素を急速に置き換え、最終的には制御可能な層数で均一な膜を形成しました。酸化モリブデンの偏析と合体は、硫黄欠乏条件における主要な初期成長メカニズムでした。

個々の二硫化モリブデン膜と二硫化タングステン膜のラマン分光法では、それぞれ2つの特徴的なピークが示されました。HRTEMは、5つの二硫化モリブデン層と4つの二硫化タングステン層を示しました。逐次金属堆積により、二硫化タングステンモリブデン二硫化物垂直ヘテロ構造が得られました。

両方の特徴的なピークのセットは、ラーメンスペクトルで明らかでした。垂直TMDヘテロ構造の形成は、個々の二硫化タングステン層の原子エッチングを繰り返し、二硫化モリブデンのみが残るまで支持されました。二硫化タングステンモリブデンの単一ヘテロ構造で作製されたトランジスタは、二硫化モリブデンのみで作製されたトランジスタと比較して、大幅に大きなドレイン電流を示しました。

単一のヘテロ構造トランジスタは、より高い電界効果移動度値を有し、これは二硫化タングステンから二硫化モリブデンへの電子注入、および熱平衡下での電子濃度の高いチャネルからの電子注入の結果である可能性がある。このビデオを見れば、さまざまなデバイスアプリケーションに対して垂直2D材料ヘテロ構造を簡単に確立するための機器の使用方法と手順を十分に理解できるはずです。このプロトコルを使用する場合、装置のスパッタリングパワー、位置時間、分離温度を最適化するだけで、高品質の2D材料とヘテロ構造を得ることができます。